三相交错式双向DC／DC储能变流器的研究
来源： 作者： 发布时间：2015-04-23 13:16:19 浏览量：
该系统设定Buck模式对蓄电池充电，Boost模式蓄电池放电。如图2所示，三相交错Buck模式下，变流器对蓄电池充电，假设充电功率电感电流为恒定I，流经3个电感的平均电流分别为IL1，IL2，IL3。由于三相桥臂采用并联结构，有I=IL1+IL2+IL3，在三相电路结构完全相同的情况下，有IL1=IL2=IL3=I／3，而单相模式时相同的充电电流下iL=I。Buck模式下，电感电流纹波系数计算式为：
式中：d为开关管驱动波形绕行电感的占空比；fs为开关频率。
由上述可知，三相模式下的fs与单相相同，d=D／3，电感电流为单相模式的1／3，可得ri不变，电流纹波为单相模式的1／3。因此，在相同频率及电感等运行条件下，较单相模式DC／DC变流器，三相交错模式DC／DC变流器流经电感的电流较小，且三相电流波峰互差120°，叠加后总电流纹波减小。同样，三相交错Boost模式下，蓄电池处于放电状态，放电电流等于三相电感电流之和，放电电流纹波及电感电流差模电感器都比单相模式小。
3 三相交错PWM驱动波形的产生方式
该变流器数字控制系统采用DSP作为主控器，通过配置DSP内部事件管理器(EV)的各寄存器，可产生6路互不干扰的PWM驱动波形。双向
DC／DC变流器可工作在独立PWM和互补PWM两种模式下，在此选择独立PWM工作方式。即当系统工作在Buck模式时，仅上桥臂功率管工作，所有下桥臂功率管可靠关断；当系统工作在Boost模式时，仅下桥臂功率管工作，所有上桥臂功率管可靠关断。由于EV基于同一个时钟信号产生PWM驱动波，各PWM波同相位，需要经过移相才能应用于三相交错变流器系统。在此采用FPGA内部FIFO存储器实现PWM波形移相功能。
在QuartusⅡ中，FIFO模型可用MegaWizard创建，也可用HDL代码创建，两种创建方式实际都是对存储器进行参数配置的过程，在此选用
VHDL语言创建该模型。该系统设定功率管开关频率为5 kHz，因此DSP应产生周期为200 ms的PWM驱动波形，对其进行60°和120°移相，实际就是进行200／3 ms和400／3 ms的延时。选用频率为33 MHz的FPGA，FIFO数据读入读出的频率直接使用系统频率，若要产生200／3 ms的延时，FIFO压栈深度应该为2 200，若要产生400／3 ms的延时，FIFO压栈深度应该为4 400，因此配置FIFO最大压栈深度为8 192，对应地址宽度为13。系统Boost，Buck驱动波形相互独立，FIFO位宽设置为2，分别实现Buck与Boost驱动波形的移相。
配置两个FIFO模型FIFO1与FIFO2，分别设置两个计数变量，使得FIFO1读使能滞后写使能2 200个系统时钟周期，则产生60°波形移相；使得FIFO2读使能滞后写使能4 400个系统时钟周期，则产生120°波形移相。最后需要对FIFO模型进行端口映射，其输入映射到DSP的PWM输出端，输出映射到PEBB模块驱动输入端，复位信号端映射到DSP输出移相使能端。当输出使能端有效时，FPGA对三相驱动波形进行相应移相，系统工作在三相交错模式；当输出使能无效时，FPGA直接输出一相原始波形，系统工作在单相模式，如此可以轻松实现两种模式的切换。
4 实验结果及分析
根据上述模型搭建实验平台，PEBB选用IGBT模块。直流输入由三相调压器通过三相整流桥整流得到，Boost模式下模拟蓄电池放电；负载为50 Ω大功率电阻，Buck模式下模拟蓄电池充电。
图3示出系统Buck模式下三相PWM波形移相QuartusⅡ仿真结果与实测结果。分析波形可知，三相驱动波互差60°，误差在30 ns以内，完全符合设计要求。
图4a，b为系统Buck恒压模式下什么是电感器工作于单相模式和三相模式时的实验波形。其中Uo，Io分别为变流器输出直流电压电流，iL为电感电流，Ibat为电池侧输出电流。两种模式工作在相同参数下，输入直流电压300V，Buck输出直流电压200 V，输出电流4A。图4c，d为系统Boost恒压模式下工作于单相模式和三相模式时的实验波形。两种模式工作在相同参数下，输入直流电压100 V，Boost输出直流电压200V。
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